科学家揭示二维镍金属纳米片的异质成核机制及其优异电学特性！
文摘
2024-11-18 07:30
青海
【研究背景】
二维（2D）元素金属是近年来备受关注的材料，因其在电子器件、传感器和催化等领域的潜在应用而引起了研究者的广泛兴趣。与传统的金属材料相比，2D元素金属具有超薄、轻量化和独特的电学特性等优点。然而，由于这些金属通常缺乏开关或介电特性，导致它们在电学性能上存在一定局限性。因此，如何控制其微观结构，以实现更优异的电学性能，成为了研究中的一大挑战。近日，来自延世大学Wooyoung Shim在二维元素金属的制备和应用研究中取得了新进展。该团队设计了一种新型的电沉积方法，利用受限的2D模板成功制备出具有对齐晶粒取向的镍纳米片，显著提高了其面内电导率的各向异性，达到10^3以上。通过该方法，研究者实现了金属原子在阴极处的异质成核和生长，形成了各向异性微观结构，进而赋予纳米片优异的电学性能。该团队还展示了这些2D模板介导的镍纳米片在厚度依赖电学特性上的表现，以及作为开关元件的潜力。新型的三端开关器件展现了超过10^4的开关比，表明其在电学开关应用中的广阔前景。这一研究不仅为2D元素金属的应用提供了新的思路，也为未来设计高性能电学器件奠定了基础。通过对微观结构的精确控制，研究者成功获取了各向异性金属纳米片的优异电学性能，为金属材料的应用开辟了新的技术路径。![]()
【科学亮点】
（1）实验首次提出了一种电沉积方法，通过受限的2D模板成功合成了具有对齐晶粒取向的二维元素金属镍纳米片，得到了超高的面内电导率各向异性，超过10^3。 （2）实验通过异质成核的导向生长过程，利用小于临界核尺寸的通道控制金属原子的生长，从而形成了各向异性微观结构。这些纳米片展现出显著的电学和结构各向异性，电学各向异性比率高达104。 （3）与传统场效应晶体管不同，采用具有两个正交分离导电路径的全金属三端开关器件，显示出超过10^4的开关比，展示了这些各向异性金属纳米片作为开关元件的潜力。 【图文解读】
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图3：2D模板介导的镍纳米片的电学和结构各向异性。![]()
图4：2D模板介导的镍纳米片的厚度依赖电学特性和开关元件。![]()
本文的研究揭示了在有限空间内异质成核与生长的二维镍金属纳米片的晶粒取向受到空间限制的影响，表现出优异的电气性能。这种高度各向异性的电导特性，为未来在柔性电子设备中的应用提供了新的思路。通过模板介导电沉积的方法，可以实现二维金属的晶界对齐，为电气开关元件的制造奠定基础。然而，研究也指出了在将自由立纳米片整合入功能器件时面临的挑战，如纳米片横向尺寸的增大及模板在沉积过程中的均匀抑制。针对这些问题，研究提出了引入连续的石墨烯氧化物薄膜或具有更好结晶性的二维模板的可能解决方案。这一创新的方法不仅能够扩展到多种金属的制备，还可能推动二维材料领域的发展，探索在其块体材料中未曾观察到的新特性。原文详情：Kim, T., Seo, D., Kim, S.et al. Anomalous in-plane electrical anisotropy in elemental metal nanosheets. Nat. Synth (2024). https://doi.org/10.1038/s44160-024-00669-4
